带内全双工无线通信模型及自干扰研究

秦学聪

摘要：随着第四代移动通信（4G）进入商业化阶段，面向2020年和未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研究的热点。移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。面对未来数据流量的千倍增长、千亿的设备连接和多样化的业务需求，5G系统设计不仅需要满足更灵活的网络部署和更高效的运营维护，还需要显著提高频谱效率、能源效率和成本效率。作为5G潜在的关键技术之一，带内全双工（in-bandfull-duplex， IBFD）无线通信允许节点在同一频段上同时进行发送和接收，与传统双工相比理论上最大可成倍提高频谱利用率。然而，由于同频同时接收信号的特点，严重的环路自干扰成为制约其发展的主要因素。该文将对全双工系统自干扰消除技术进行研究，具体包括：（1）分析了IBFD无线全双工通信的主要技术问题。介绍了IBFD无线通信系统的模型和三种通信模式，并提出了三类主流的自干扰消除方法在系统模型中的位置和作用。（2）结合现阶段研究和应用热点，提出了IBFD无线通信未来的发展趋势和研究方向。

关键词：带内全双工;MAC协议;自干扰消除;无线通信

中图分类号：TN92        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）19-0254-03

无线通信可提供多样化的信息服务，随着移动数据量和用户需求飞速的增加，可分配的无线频谱资源日益紧张，移动数据业务的指数级增长与频谱资源短缺之间存在外在矛盾，驱动着无线通信理论与技术的内在变革，研究人员为此提出了许多提高频谱利用率的新技术方案。其中，IBFD无线通信允许节点在同一频段上同时进行发送和接收，与现有的半双工（half duplex， HD）、时分双工（time division duplex， TDD）和频分双工（frequency division duplex， FDD）相比，理论上最大可成倍提高频谱利用率，近年来受到了广泛的关注。

由于全双工收发系统使用相同的时频资源，设备本身的发射天线引起的近端自干扰（self-interference， SI）信号功率远大于来自远端发射天线的期望信号功率，不仅会造成接收机的饱和，还会导致系统在模数转换时无法正确解码有用信号。自干扰问题不仅存在于全双工系统中，也存在于半双工系统中，发射机的频谱泄漏和天线耦合会在接收机处产生强烈的自干扰，影响系统的整体性能。因此，自干扰信号消除（self-interference cancellation， SIC）已成为IBFD无线通信中首先需要解決的技术问题。

本文首先分析了IBFD无线通信主要的技术问题。基于IBFD无线通信系统模型，分析了三种通信模式，并介绍三类主流的自干扰消除方法在系统模型中的位置和作用。最后，结合当前的研究和应用热点提出了对未来IBFD无线通信的研究及应用的展望。

1 IBFD无线通信问题

IBFD的一个双跳传输链路如图1所示，信源节点（S）通过中继（R）与目的节点（D）进行通信。在实际的多用户或多中继系统中，该模型与无线资源管理后的情况相对应，并将频谱资源分配给特定的基站，以在特定的中继节点的帮助下为特定的用户设备服务。信源节点和目的节点都是单天线节点且它们之间的直接通信较弱，所以拥有独立收发天线的中继加入系统用来帮助其他节点而自身不传输数据。上述信号模型的新颖性在于明确考虑了实际FD中继器中不可避免的残余自干扰。

该系统包括四个无线链路，分别是信源节点-中继信道（SR），残余环路干扰信道信道（LI），中继-目的节点信道（RD）以及信源-目的节点信道（SD）。分别用?SR，?LI， ?RD和?SD表示。信道被建立为频率平坦和准静态模式。信源和中继的归一化发射功率分别由PS和PR表示，而且他们受到各自的限制：PS≤1且PR≤1。

在全双工通信模式下，中继节点接收天线在接收来自信源节点发送的有用信号的同时，也会接收来自自身节点发射天线发送（泄露）出去的信号，此信号称为自干扰信号，也称环路干扰信号。在无线传输过程中，源节点的有用信号衰减很大，中继器接收到的有用信号远小于其发射天线接收到的大功率自干扰信号，使得节点很难对有用信号进行解码。因此，为了保证IBFD节点在同一频段内同时发送和接收无线信号，必须首先解决自干扰信号的问题。

2 三种通信模式

2.1 全双工模式（FD）

中继器在同一频率上同时接收和转发。因此，通信由于受到中继传输到中继接收的自干扰（或“环路干扰”）而降级。在i时刻，信源发送信号x[i]到中继（?{|x[i]|2}= PS≤1 ?{.}是期望算子），这同时也被目的节点给收听到，中继收到信号r[i]并发送t[i]（ ?{|t[i]|2}= PR≤1）。因此，接收信号在中继和目的节点中可分别表示为：

式（1）中期望的信号分量为?SRx[i]，中继器可以采用对消算法（部分）消除?LIt[i]。通常这涉及到环路信道的估计和对重复干扰信号的消减。然而，在实际应用中，由于非理想的信道估计和信号处理结果，无法实现完全抑制。尤其是，中继前端的动态变化范围无法同时满足有用信号和干扰信号，从而导致了失真噪声的产生。无论采用何种缓解方案，我们都将残余噪声表示为[hLIti]。这样，（1）式就变成了r[i]= ?SR x[i]+[hLIti]+nR[i]，并且?{|[ti]|2}= PR，[hLI]代表由于不完全抵消而产生的剩余环路干扰信道。因为每一个对消算法的实现都具有特定的剩余功率，所以将[|hLI|]2参数化可以使分析更加通用。当且仅当使用自然天线隔离而不使用数字取消时，我们才认为[hLIti]= ?LIt[i]。

2.2 半双工模式（HD）

一个符号的端到端传输可以分布在两个正交时隙上，以消除环路干扰。信源节点仅在偶数时隙发送信号x[2i]，中继同在偶数时隙接收信号r[2i]并在奇数时隙传输信号t[2i+1]。因此，接收信号在中继和目的节点中的表达式为：

2.3 直接传输模式（DT）

为了进行比较，保留了完全不使用中继器的可能性。在这种情况下，信源发送信号x[i]，目的节点接收：

3 结束语

作为5G潜在的关键技术之一，IBFD无线通信突破了传统双工无线网络设计的束缚，能够最大限度地提升网络和设备收发设计的自由度，理论上最大可成倍提高频谱和资源利用率。由于全双工收发系统使用相同的时频资源，设备本身的发射天线引起的近端自干扰信号功率远大于来自远端发射天线的有用信号功率，会导致系统在模数转换时无法正确解码信号。针对上述问题，本文从技术难题、三种通信模式两方面做了较为翔实的阐述和总结。

被动自干扰消除主要就是天线消除，通过增加自干扰信号在天线间无线传输的物理衰减量来达到目的。但不能仅仅依靠天线消除，模拟消除通过对发送端射频信号的处理，模拟无线自干扰信道的冲击响应并颠倒相位再到接受电路进行相加实现（部分）抵消。最后引入一个消除电路数字补偿系数K，与模拟的反相位信号相乘，再到接收端与经过ADC转换的数字基带信号相加消除剩余自干扰信号。

具体的自干扰信号消除方法在此不做过多介绍，Rice、斯坦福大学所做的抵消实验都取得了不错的成效。如何整体优化IBFD硬件电路、能否实现全/半双工适时切换的混合技术是我们今后要研究的主要方向。

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